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电视信号的产生、传输和显示要经过一系列复杂的光、机、电设备。
本实验仅对黑白电视传像原理中的同步扫描技术进行实验研究。
同步扫描的基础是首先把图像分解成许多像素,然后在摄像管靶面和显像管屏幕上对一系列像素按严格相同的扫描规则同步地进行摄像与显像。
其规律是首先由左至右对水平方向一行的像素以匀速运动的方式完成一行的扫描,然后从上到下对一行行的像素以匀速运动的方式完成一帧扫描(在隔行扫描中,一帧是由两场组成的)。
传统电视中的摄像与显像,是由摄像管与显像管中的电子枪产生的电子束进行行/场扫描来完成的。
行扫描是由从左至右的行正程扫描和由右至左的行逆程扫描构成。
在逆程扫描时,不对像素进行摄像与显像,因此在行逆程扫描时要加入一个行消隐脉冲,以便在行逆程时关断电子束。
同样,场扫描是由从上至下的场正程扫描和由下部回到上部的场逆程扫描构成。
在场逆程期间也要加入场消隐脉冲。
行/场消隐脉冲的目的是使逆程扫描线不被显示,而只出现一行行的正程扫描亮线。
由这些正程扫描亮线组成矩形发光面,称为扫描光栅。
摄像端与显像端二者之间由复合同步脉冲信号来实现同步扫描。
在显像端,利用从摄像端传输来的视频信号中分离出的行/场同步脉冲来实现行/场扫描的同步。
图1-1行/场同步脉冲
为在接收端容易识别行/场同步行同步脉冲,将场同步脉冲宽度定为2.5TH,而行同步脉冲宽度则为4.7us,如图1-1所示,由于场同步期间没有行同步信号,这将影响到行扫描的同步,因此在场同步脉冲内形成一些缺口(开槽),用来代替行同步信号,这样,整个扫描过程中的任何时刻都能保证严格的行同步。
由于采用奇数行隔行扫描,每场均包含半行。
设每场的时间(即场周期)为T,,因此,若把奇数场和偶数场的同步脉冲分两排来画,并令场同步脉冲对齐,则两场的行同步脉冲相互错开半行。
由于场同步脉冲是利用积分电路来分离的,而相邻两场的场同步脉冲内的开槽及两个场同步脉冲前后的行同步脉冲都相差半行,从而使两场的场同步脉冲积分起始电平不同,积分后的波形也不完全重合,这一差异将严重影响隔行扫描的准确性并导致并行现象和垂直分解力降低。
为了消除这个误差,可以在场同步脉冲持续期间及其前、后若干行内,将行同步脉冲的频率提高一倍,这样就使得在这一段时间内偶数场与奇数场的同步脉冲波形完全相同。
因此,通过积分电路后的两场场同步脉冲的积分起始电平相同,经过积分电路后两场输出信号的波形也一致,保证了两场的时间间隔相同。
另外,为使频率提高后的行同步脉冲的平均电平不变,在脉冲间隔为TH/2的情况下将行脉冲的宽度减小到原来的一半。
这种在场同步脉冲前、后的窄脉冲分别称为前均衡脉冲与后均衡脉冲。
按照我国的电视标准,前后均衡脉冲均为5个,各占两行半时间。
行同步脉冲宽度为4.7us,均衡脉冲的宽度为2.35us。
场同步脉冲也占两行半时间。
因开了5个槽而形成5个齿脉冲,场同步中齿脉钟宽度为27.3us,开槽脉冲宽度为4.7us,如图1-2所示。
图1-2黑白全电视信号波形图
在本实验中,采用Altera公司的CPLDEPM7256产生PAL制的复合同步信号。
时钟CLK为13.5MHz,在QuartusII或MAX+PlusII开发环境下用硬件描述语言编写程序,设置水平像素计数器、垂直行计数器,形成复合同步信号。
CPLD的设计文件可从《电视原理实验》或网络上找到。
(三)实验仪器:
专用的CPLD实验板1块、彩色监视器1台、示波器1台、计算机1台。
(四)实验内容:
1、用彩条信号观察显示器的相加混色
(1)观察彩色显像管荧光粉点(条)的形状和排列结构。
打开彩色电视监视器,并做适当调整。
接通彩色电视信号发生器,选择几种彩色图像。
在显像管屏幕前用放大镜观察显像管的红、绿、蓝3色荧光粉点(条)的形状和排列结构。
(2)观察标准彩条的图像,加深对白、黄、青、绿、品、红、蓝、黑8个彩条的印象。
通过分别切断信号源或监视器R、G、B通道的开关,观察在仅有红绿、绿蓝、蓝红基色信号下标准彩条信号形成的彩色图像。
根据三基色原理,对其颜色的变化做出解释。
(3)利用微机进行软件模拟混色实验
MixColor是在PC上运行的混色程序,其界面如图1-3所示,拉动滚动条或改变编辑框中的数值可改变显示窗口的颜色。
该颜色显示范围是将R、G、B各分为256个量化等级。
通过三者的组合可得到不同色调、不同饱和度的各种色彩显示。
图1-3混色实验程序界面
1选择三基色中的一种,将其余两基色的数值置为0,拖动选中基色的滚动条或直接设置该色的幅值。
观看单色调下,基色的亮度变化。
2将R、G、B中任意一基色设置为0,将其余两基色的数值设置成255,观看该基色所对应的补色;
然后,拖动所选单一基色的滚动条,观察其补色饱和度的变化。
3将R、G、B中任意二基色设置为122,将另外一基色由0渐变至255,观察色彩显示框内的变化情况,分析在达到122前后颜色变化的原因。
4将R、G、B数值调整到数值较低位置,同比例增加各基色数值,观察任一色调下亮度的变化情况。
2、同步扫描
本实验所用的复合同步信号由专用的实验板产生,,将实验板的视频输出端用电缆连接到监视器的视频输入端,将示波器探头连接到实验板的测试点1(SYNC)。
将实验板的模式转换开关1(同步信号选择)分别扳到00复合同步信号、10场同步信号(无行同步)、01行同步信号(无场同步)位置,观察输出的同步信号波形以及监视器上的图像显示情况。
(五)实验报告的要求
1、观察彩条信号在分别关断R、G、B通道后彩色的变化,并用三基色原理解释。
2、运行MixColor混色演示程序,记录出现的现象,并用三基色原理解释。
3、分析本实验中非同步状态下各种失真图像形成的原因。
(六)思考题
1、显像管上显示白、红、绿、蓝与物理三基色的红、绿、蓝有何不同?
2、分析复合同步信号的作用。
3、研究CPLD代码与国家标准关于复合同步信号的规定之间的对应关系。
实验二全电视信号波形图及矢量图的观测
1、了解矢量示波器的工作原理,初步掌握仪器操作规程。
2、以100-0-100-0彩条为例观测亮度信号Y,色差信号(R-Y)、(B-Y),色度信号u、v和ec,色同步信号eb及全电视信号CVBS的波形。
3、观测100-0-100-0彩条信号矢量图,观测并分析解调副载波对矢量图的影响。
1、彩条全电视信号的组成
彩条全电视信号包括Y、ec、eb,复合同步信号S和复合消隐信号BL。
100-0-100-0彩条全电视信号的动态范围在未经压缩前是从1.79V到-0.79V(白色电平为1V,黑色电平为0),超过黑白电平很多,动态范围太大,不仅使发射机容易产生过调制,还将严重影响同步工作,所以对色度信号进行了压缩,即U=0.493*(B-Y),V=0.877*(R-Y),使全电视信号波形的动态范围为:
黄、青两个色条上限电平为1.33V,红、蓝两个色条下限电平为-0.33V,同步电平为-0.43V。
如图2-1所示。
图2-1100-0-100-0彩条全电视信号示意图
2、色度信号可以在U-V空间中以矢量的形式表示,色调主要体现在色度信号的相角上,而饱和度主要体现在色度信号的振幅上。
100-0-100-0彩条信号的8个彩色条的矢量如图2-2所示。
PAL制色度信号v是逐行倒相的,因此在色度矢量图上其彩色相序是逐行交变的。
图2-2彩条信号矢量图
3、矢量示波器工作原理
用示波器将正交平衡调幅制彩色电视信号显示于极坐标中就称为矢量示波器,原理方框图如图2-3所示。
彩色全电视信号通过滤波器将色度信号分离出来后,送到U、V同步解调器。
当把0度相位与正负90度相位副载波分别送入U、V解调器时,它们分别输出(B-Y)与(R-Y)信号。
这两个色差信号经过低通滤波器和放大器之后再分别加到示波管的水平与垂直偏转板上,于是在荧光屏上就显示出PAL彩条信号矢量图。
图2-3矢量示波器原理方框图
专用的CPLD实验板1块、彩色监视器1台、示波器1台.矢量示波器1台。
1、学习矢量示波器原理及使用。
2、观测100-0-100-0彩条信号的Y、(R-Y)、(B-Y)、u、v、ec、eb及CVBS的波形。
3、观测100-0-100-0彩条色度信号矢量图(NTSC行与PAL行)。
4、改变解调副载波相位时观测色度信号矢量图的变化。
1、绘出所观测的信号波形图。
2、绘出彩条信号色度矢量图,说明彩色相序交变原理。
3、分析解调副载波相位变化时色度信号矢量图的变化情况。
1、PAL彩条信号矢量图的坐标原点表示何种颜色?
2、在矢量示波器和普通示波器上观测PAL彩条信号和NTSC彩条信号,如何直观显示它们的信号特征?
实验三PAL制彩色电视信号编码器
1、了解用专用CPLD开发板实现的彩色电视信号发生器的工作原理以及电路组成。
2、学习用可编程逻辑器件产生定时信号和测试图形的方法。
3、测试彩色电视信号发生器在不同工作模式下的输出信号波形。
实验所用的彩色电视信号发生器是通过对CPLD编程来产生同步信号和彩色信号,其结构如图3-1所示。
图3-1实验板结构图
实验板中,通过对CPLD编程,产生符合我国标准的行同步信号、场同步信号、复合同步信号和三种测试信号。
模式转换开关1、2对上述各信号进行控制,具体控制方法如下。
模式转换开关1有三种状态:
00时产生复合同步信号;
01时只产生行同步信号;
10时只产生场同步信号。
模式转换开关2控制侧试信号的产生,它也有三种状态:
00时产生多波群信号,共六组黑白相间的竖条,对应频率分别为0.24MHz、0.30MHz、0.4MHz、0.6MHz、0.8MHz、1.7MHz;
01时产生棋盘格信号;
10时产生彩条信号。
在三种状态下的信号可通过观察测试点2、3、4、8的波形验证。
测试点1、2、3、4的信号均送入PAL编码器芯片MC1377进行编码,输出PAL制的彩色全电视信号。
该信号可通过视频信号接口连接到显示器上观看,也可以通过观察测试点8的波形验证。
彩色电视信号发生器(专用的CPLD实验板)1块、彩色监视器1台、示波器1台、稳压电源、万用表1套。
1、将示波器的探头连接至测试点1(SYNC),通过改变模式转换开关1的三种状态分别观察行同步信号、场同步信号和复合同步信号。
画出其波形。
2、将示波器的探头分别连接至测试点2、3、4(R、G、B),通过改变模式转换开关2的三种状态分别观察多波群信号、棋盘格信号和彩条信号的R、G、B波形。
分别画出其波形。
多波群信号、棋盘格信号只画出RGB其中一路,而彩条信号RGB全画。
3、将显示器与实验板的视频信号接口相连,观看三种测试信号的图像。
画出三种测试信号的全电视信号波形,并注意波形与显示的图像之间对应关系。
4、观察收、发端不同步时,收端显示图像的特征。
方法如下:
(a)将模式转换开关1置于01位置,此时同步信号输出端只有行同步信号而没有场同步,因而加到显示器端的全电视信号中也只有行同步信号而没有场同步,此时的图像将呈现出场消隐信号形成的黑色水平横条。
由于场不同步黑色水平横条将缓慢地上下移动。
解释此现象。
(b)将模式转换开关1置于10位置,此时同步信号输出端只有场同步信号而没有行同步,因而加到显示器端的全电视信号中也只有场同步信号而没有行同步。
此时收端将不能显示出稳定的图像,当收、发端行频略有差别时,一般将出现由左上向右下倾斜或由右上向左下倾斜数条黑白条。
(c)将模式转换开关1置于0O位置,此时同步信号输出端输出完整的复合同步信号,此时收端能显示出稳定的图像。
若将显示器的制式转换开关置于NTSC,由于此时显示器的行频为15734.264Hz,场频为59.94Hz,收发端不能同步工作,不能显示出稳定的图像。
解释观察到的图像特征。
1、用坐标纸整理测绘的主要波形,幅频特征曲线波形等。
2、从给出的MC1377集成编码电路分析Y矩阵变换过程,核算Y矩阵变换参数是否满足亮度方程。
3、分析实验中CPLD设计的硬件描述语言程序是如何实现定时信号时序图的。
1、体会用硬件描述语言设计数字电路和传统方法设计数字电路的异同及优缺点。
2、为实现黑白、彩色电视的兼容,彩色电视制式应具备哪些特征?
3、用彩色摄像机摄取黑白画面和单(基)色画面时,Y、R-Y、B-Y是否都存在?
在此类状态下,由编码器输出的彩色全电视信号有何特点?
基于FPGA平台的数字电视实验系统介绍
1、DE2开发平台
图1DE2开发平台外观
本实验系统采用了Altera公司提供的DE2FPGA开发平台,DE2的外观如图1所示,包含开发板一块、电源一块、USB数据线一根,以及Altera公司的FPGA集成开发环境QuartusII最新版本软件的安装光盘一张。
QuartusII软件以及开发板的USB下载线的驱动程序已在PC上安装好,同学们只需要连接电源线和USB数据线即可进行实验。
DE2是Altera公司的第三方设计公司Terasic(友晶科技)针对大学教学以及研究机构推出的FGPA多媒体开发平台,为用户提供了丰富的外设及多媒体特性。
DE2开发板上的主要器件与接口以及DE2的系统框图分别如图2、图3所示。
图2DE2的主要器件与接口
图3DE2原理框图
DE2开发板提供的与本课程实验相关的资源如下:
(1)AlteraCycloneII系列的FPGAEP2C35F672C6,该芯片拥有33216个逻辑单元、105个M4KRAM块(每个M4KRAM包含4KbitRAM)、35个18*18位硬件乘法器、4个锁相环和475个I/O引脚,为课程实验提供了充足的可编程资源。
(2)板上的FPGA片外存储器包括一片512KB容量SRAM、8MB容量SDRAM和1MBFlash。
(3)50MHz晶振和27MHz晶振各一个。
(4)24-bitCD品质的音频编/解码器WM8371和麦克风输入插座、线路输入插座、线路输出插座。
(5)视频DACADV7123和VGA输出接口。
(6)TV解码器ADV7181B和TV输入接口。
(7)IrDA(红外)收发器。
(8)2个40-pinI/O扩展端口。
(9)PS/2鼠标/键盘插座。
2、FPGA的开发流程以及QuartusII软件的使用说明
图4典型的EDA流程
典型的借助EDA工具进行FPGA设计的流程如图4所示,包括设计输入(DesignEntry)、综合(Synthesis)、功能仿真(FunctionalSimulation)、布局布线(Fitting)、时序仿真(TimingSimulation)和器件编程与配置(ProgrammingandConfiguration)等步骤:
设计输入:
以HDL语言、原理图等方式描述用户设计。
综合:
将HDL语言、原理图等设计翻译成由与、或、非门和RAM、触发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接,并根据目标要求(约束条件)优化成所生成的逻辑,输出EDF网表或VQM网表文件供布局布线使用。
布局布线:
使用综合Analysis&
Synthesis生成的网表文件,将工程的逻辑和时序要求与具体器件的可用资源相匹配。
仿真:
在软件环境下,验证电路的行为和设想中的是否一致。
功能仿真(前仿真)是指在设计输入之后,没综合、布局布线之前,不考虑电路的逻辑和门的时间延时,考虑电路在理想环境下的行为和设计构想的一致性。
时序仿真(后仿真)是指在综合、布局布线之后,电路已经映射到特定的工艺环境之后,考虑器件延时情况下对网表文件的仿真。
较好反应芯片的设计情况。
编程和配置:
在全编译之后,将编程映像文件下载到FPGA/CPLD器件的SRAM或E2PROM中,使FPGA/CPLD具备所设计的逻辑功能。
QuartusII软件是Altera公司提供的FPGA集成开发环境,使用户能够高效地完成FPGA设计流程,主要操作步骤如图5~图14所示。
图5QuartusII的主界面
图6新建一个设计项目/工程
图7在项目向导的指引下进行项目名称与路径、目标器件选择等设置
图8指定目标器件的系列与型号
图9在项目中创建不同类型的设计文件
图10编译项目
图11设定设计中的端口与FPGA的引脚之间的对应关系
图12编辑输入信号的波形文件,用于项目的仿真测试
图13指定仿真的模式(功能仿真或时序仿真)并进行仿真
图14通过下载线对器件进行编程
实验四VGA接口信号生成和测试图形输出实验
掌握DE2实验平台的使用方法;
学习VGA接口规范以及同步信号的产生方法。
DE2平台可通过标准15脚D-Sub接口输出VGA信号,其原理是FPGA输出符合VGA标准的数字视频信号,通过ADV7123的数/模转换,变成模拟信号从D-Sub接口输出,如图4-1所示。
图4-1DE2平台的VGA输出部分
FPGA输出的数字视频信号包括10-bit精度的R、G、B数据(VGA_R0~R9、VGA_G0~G9、VGA_B0~B9)、时钟信号VGA_CLOCK、同步信号VGA_SYNC、消隐信号VGA_BLANK,以及水平同步信号VGA_HS与垂直同步信号VGA_VS。
VGA信号的时序如图4-2所示,图4-3、4-4分别给出了不同VGA模式下的水平、垂直同步时间参数。
图4-2VGA信号时序
图4-3水平同步时间参数
图4-4垂直同步时间参数
本实验提供了VGA控制器的VerilogHDL参考程序(见VGA_Controller目录),其基本原理是预先将一帧图像的像素数据存储在RAM中,VGA控制器通过对像素时钟进行计数,生成像素地址并从RAM中读出像素数据,同时产生各个同步信号。
通过修改VGA_Param.h文件中的参数定义,可以使控制器产生不同模式的VGA信号。
显然,改变RAM中存储的像素数据便可以改变输出的图像,《电视原理》介绍了彩条、棋盘格等图像的数据变化规律,此处不再介绍。
DE2实验平台、示波器、显示器。
1、在QuartusII环境下对设计项目进行编译和下载,观察输出图像。
2、改变VGA参数定义,生成不同模式的VGA信号,用示波器观测信号特点,并与QuartusII的仿真波形进行比较。
3、设计2种有规律的图像数据,如彩条、棋盘格、多波群等。
1、分析VGA控制器的关键代码。
2、附上不同VGA模式下的仿真波形和示波器显示的波形。
3、附上生成测试图像数据的代码并加以说明。
1、VGA信号格式与电视的CVBS信号格式有何区别?
2、不同的测试图像可用来检测显示器的什么特性?
实验五CVBS信号到VGA信号转换实验
学习CCIR656标准,了解不同的色度信号采样格式及其采样率上变换方法,了解硬件实现从YCrCb到RGB色度空间转换的方法,了解将隔行扫描信号转换为逐行扫描信号的基本方法。
各种制式的模拟电视信号经过专用的视频ADC(通常称为视频解码器)的处理可以转换成符合CCIR656标准的数字视频格式。
DE2平台采用ADV7181芯片作为视频ADC,将输入的CVBS模拟信号转换成YCrCb4:
2:
2格式的数字信号,如图5-1所示。
图5-1DE2平台的视频ADC部分
由于ADV7181输出的数据为4:
2格式的YCrCb信号,即每2*2个Y像素对应2个Cb和2个Cr像素,所以需要将其转换为4:
4:
4格式,使每个像素都有对应的亮度和色度信号采样值。
关于不同采样率的说明见《电视原理》,这里不再介绍。
将4:
2信号上变换为4:
4信号,可以简单地通过将没有被采样的像素的色度数据取为和其左边相邻像素的色度数据相同来实现。
由于NTSC或PAL制模拟电视信号都是隔行扫描的信号,而计算机采用的VGA接口信号为逐行扫描,所以还要对输入的信号进行去隔行处理。
本实验给出的示例采用的方法是直接将奇数行的数据复制作为下一个偶数行的数据,而采用更复杂的处理方法,应当能达到更好的显示效果。
逐行的YCrCb4:
4数据经过从YCrCb到RGB色度空间的转换后,再通过ADV7123的数/模转换,变成模拟信号从D-Sub接口输出。
YCrCb与RGB色度空间的转换关系见《电视原理》的说明。
本实验提供的VerilogHDL参考程序见DE2_TV目录,顶层结构如图5-2所示。
图5-2实现从CVBS信号到VGA信号转换的系统框图
DE2实验平台、示波器、显示器、DVD机、电视机。
1、使DVD机分别输出NTSC制和PAL制信号,用示波器观察视频ADC输出的ITU-R656数据。
2、对各处理模块进行仿真,观察输出波形。
3、改进实现去隔行处理的代码,比较修改前后的输出效果。
1、分析色度信号上采样、去隔行、色度空间转换的关键代码。
2、附上改进的去隔行算法的代码并加以说明。
3、附上各处理模块的仿真波形
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